第6位移测量系统的设计.ppt
《第6位移测量系统的设计.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《第6位移测量系统的设计.ppt(54页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、第16章 位移测量系统的设计,16.1 设计要求,1,16.2 电路原理与设计,16.3 LabVIEW显示模块设计,3,16.4 硬件验证与数据采集卡的应用,4,2,16.1设计要求 用霍尔传感器设计一个量程范围为-0.6mm0.6mm的位移测量仪。霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器。当霍尔元件作线性测量时,最好选用灵敏度低一点、不等位电位小、稳定性和线性度优良的霍尔元件。当物体在一对相对的磁铁中水平运动时,在一定的范围内,磁场的大小随位移的变化而发生线性变化,利用此原理可制成位移测量器。通过本设计,要掌握以下内容:,16.1设计要求,16.1设计要求,1)了解霍尔传感器测量位
2、移的原理; 2)掌握霍尔元件的测量电路; 3)测量电路硬件实现后,当输出模拟信号,会用数 据采集卡进行采集; 4)掌握采集后的信号在LabVIEW中的处理,实现位 移值的显示; 5)了解分别采用软件仿真和实际硬件电路时,在Lab- VIEW中编程与处理的不同。,16.2电路原理与设计,16.2.1 传感器模型建立 霍尔传感器基于霍尔效应,用公式表示如下: (16-1) 式中: VH为霍尔电压; KH为霍尔元件灵敏度; I为控制电流; B为垂直于霍尔元件表面的磁感应强度。 两块相对的磁铁间形成磁场,当物体在沿垂直于磁场方向运动时,在一定的测量范围内,磁感应强度与位移的关系是近似线性的。所以输出电
3、压与位移也存在线性关系。,16.2电路原理与设计,图16-1为实际霍尔传感器测量位移的特性。,图16-1 霍尔位移传感器的特性,16.2电路原理与设计,可见在-0.6mm0.6mm之间,电压位移关系近似线性。对实验数据进行拟合,由于实际数据是经过放大后的数据,在拟合前要将数据除以放大倍数。拟合后的数学表达式为: 式中: VH为霍尔元件输出电压,单位为mV; X为被测位移量,单位为mm。 由以上分析可知,霍尔位移传感器只在很小的范围 内呈线性,所以它是用来测量微小位移的。,16.2电路原理与设计,在Mulitisim中霍尔传感器模型的建立如图16-2所示,它的测量范围是-0.6mm0.6mm。V
4、1可模拟位移,压控电压源V2模拟霍尔元件随位移而变化的输出电压VH。,(a) (b) 图16-2 霍尔传感器模型 图中1、2为激励电极;3、4为霍尔电极,16.2电路原理与设计,16.2.2 放大电路设计 霍尔电势一般在毫伏量级,在实际使用时必须加放大电路,此处加的是差分放大电路,如图16-3所示。,图16-3 测量电路,16.2电路原理与设计,16.2.3 电路仿真分析 1)交流分析 将图16-3所示电路的1和2节点之间改接一个交流电压源,设其幅值和相位分别为1V和50Hz,然后对电路进行交流分析,设开始和终止频率分别为1Hz和1MHz,输出节点选择节点12,其它设置按默认设置,仿真结果如图
5、16-4所示,该放大电路的带宽约100KHz。,16.2电路原理与设计,图16-4 交流分析结果,图12-1为 Getting Started窗口,2)傅立叶分析 电路的输入端仍然接上面的交流源,对电路进行傅立叶分析,其设置如图16-5所示,频率分辨率(基本频率)项和采样停止时间项都可通过点击其后的“Estimate”按钮进行估计,输出节点仍然选择12点,分析结果如图16-6所示,由图中表格可知电路的总谐波失真(THD)较小,各次谐波的幅值也非常小。,16.2电路原理与设计,16.2电路原理与设计,图16-5 傅立叶分析设置,图12-2(a)框图面板及函数模板,图16-6 傅立叶分析结果,16
6、.2电路原理与设计,16.2电路原理与设计,3)直流扫描分析 按图16-3所示输入端接霍尔传感器模型,对模拟实际位移量的电压源V1进行直流参数扫描,分析设置如图16-7所示,扫描的范围为-0.6V到0.6V,每0.2V扫描一次,输出节点选择节点12,扫描的结果如图16-8所示,可见在-0.6mm0.6mm位移范围内,电路的输出近似线性。,图12-2(b)前面板及控件模板,16.2电路原理与设计,图16-7 直流扫描分析设置,图16-8 直流扫描分析结果,16.2电路原理与设计,4)传递函数分析 将放大电路的输入端改接一小信号直流电压源作为输入源,然后进行传递函数分析,结果如图16-9所示,放大
7、电路的放大倍数约为-4.8倍,电路输入阻抗约为20K,输出阻抗约为0.024。,图16-9传递函数分析结果,16.2电路原理与设计,5)参数扫描分析 滑动变阻器RW1的中心抽头打在中间位置不变,对电阻R3的阻值进行参数扫描,分析其大小的变化对电路放大倍数的影响。参数扫描的设置如图16-10(a)和(b)所示,要分析的输出变量设为输出节点与两输入节点之差的比值,即放大电路的放大倍数。参数扫描的分析结果如图16-11所示,由于电阻R4为51K,所以当反馈回路上总的电阻和R4的阻值不相等,即参数不对称时,放大倍数并不等于反馈回路总电阻与R1阻值的比值,还和R4有关。,16.2电路原理与设计,(a)分
8、析参数设置,(b)输出变量设置,图16-10 参数分析设置,16.2电路原理与设计,图16-11 参数分析结果,16.2电路原理与设计,6)实验数据处理 电路调好后进行仿真,可得表16-1的实验结果。 表16-1 实验结果,图12-4 图标编辑,用MATLAB进行对表16-1的实验结果拟合后得:,16.3 LabVIEW显示模块设计,16.3.1 位移测量子程序的设计 由上节式16-3可得位移表达式: 根据式16-4可建立一个子VI,具体步骤如下: 从开始菜单中运行“National Instruments LabVIEW 8.2”, 在Getting Started窗口左边的Files控件里
9、,选择Blank VI建立一个新程序。,16.3 LabVIEW显示模块设计,框图程序的绘制: 为了解决数据转换问题,采用上个设计采用的数据转换的第三种实现方法设计程序框图。用这种方法设计的子程序在接口电路设计时就不用考虑数据转换了。利用For Loop进行两次自动索引,使数据变为单个值显示,这里省去了矩阵索引函数。需要注意的是,后面的数据通道不能设为自动索引,否则输出将不再是单个数值。图中Input为时域信号采集器,它由控制模板I/O模块里的波形函数经矩阵化而成。连续的电压波形在外层For循环内必须加一个波形元素提取模块把Y值提取出来,否则数据在里层For循环中不能利用自动索引,达不到数据转
10、换的目的。根据式16-4在里层For循环中用常数和运算函数构建程序框图,输出为位移值,如图16-12所示。,16.3 LabVIEW显示模块设计,图12-7 连接器和显示器件关联,图16-12程序框图,16.3 LabVIEW显示模块设计,定义图标与连接器 双击右上角图标编辑后如图16-13(a)所示。用鼠标右键单击前面板窗口中的图标窗格,在快捷菜单中选择Show Connector,此时连接窗格为默认模式,右键点选一种单输入单输出的模式,左边窗格与时域信号采集器Input相关联,右边窗格与位移显示相关联。关联后的连接器窗格见图16-13(b)。完成上述工作后,将设计好的VI保存。,a) (b
11、) 图16-13 图标与连接器,16.3 LabVIEW显示模块设计,16.3.2 接口电路的设计与编译 关于接口的研究及LabVIEW仪器向Multisim的导入的原理请参照上一章的内容。本设计中接口电路的设计与编译分以下几步: 把Multisim安装目录下SamplingLabVIEW Instru-mentsTemplatesInput文件夹拷贝到另外一个地方。,16.3 LabVIEW显示模块设计,在LabVIEW 中打开步骤中所拷贝的StarterInputI-nstrument .lvproj工程,如图16-14。接口电路的设计是在Starter Input Instrument.
12、vit中进行。 图16-14 StarterInputInstrument .lvproj工程图,16.3 LabVIEW显示模块设计,打开Starter Input Instrument.vit的框图面板,完成接口框图的设计。在数据处理部分,选择CASE结构下拉菜单中的Update DATA选项进行修改。按框图中的说明,在结构框中右键点击选择Select a VI,把在LabVIEW完成的子VI添加在Update DAT-A框中即可。子VI输入端Input与Multisim的对仪器的输入端相连,在子VI的输出端点击右键创建位移指示表,如图16-15所示。 程序框图设计好后,要进行前面板的设计
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 位移 测量 系统 设计
链接地址:https://www.31doc.com/p-2607220.html